[美国] 先进材料开发与应用的展望 - -

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先进材料开发与应用的瞻望                                                                                                                                   
先进材料开发与应用的瞻望
一、先进材料的汗青地位
人们凡是把材料、信息和能源并列为现代科学技术的三大支柱,无缝钢管,这三大支柱是现代社会赖以保存和发展的基础条件之一,而材料科学显得尤为重要。从古至今,材料始终在表演着划分时代的主角,可以说,材料是人类社会进步的里程碑,全部人类社会的物质文化史也就是一部材料发展的历史,从石器时代、青铜器时代到铁器时间,就是以每个时代出现的代表性材料而定名的。人类利用的材料的历史,溯来积厚流光。人类最早使用的工具?石器,就是一种最早的天然陶瓷材料,大约在公元前5000年,人类创造用粘土烧成陶器,同时在烧陶进程中又还原出金属铜和锡,创造了炼铜技术,从而进入青铜器时代,5000年前发现炼铜技术。而现在被认为是材料的一重要发展方展方向的复合材料,实在在良久以前就已再出现,人类在6000年前就晓得用稻草和泥巴混杂垒墙,这是早期人工制备的复合材料;5000年前中东地域曾用芦苇增强沥青造船;我国越王剑是古老金属基复合材料的代表,它采用金属包层复合材料,不仅光明锋利,且韧性和耐蚀性优异,在地下埋躲几千年,出土时依然冷光醒目,锐利无比。如果说19世纪是机械世纪,20世纪是电子时代,那么21世纪将是光子时代。也有人认为21世纪将是生物、信息和材料的世纪,不论怎么,材料工业都将成为未来社会发展的重要组成部门。现代的材料按化学组成可分为金属材料、有机材料和无机非金属材料,也即金属材料、高分子材料和无机材料。一般而言,材料可分为传统材料和先进材料两大类,先进材料是指那些早先开发或正在开发的、具有优异性能的材料,先进材料对高科技和技术具有bbe02 17c6cfbf5f7428107e273fba并键的作用,没有先进材料就没有发展高科技的物质基础,控制先进材料是一国在科技上处于当先地位的标记之一。
二、先进材料研究与应用近况
现代科学技术发展具有学科之间相互渗入、综合交叉的特点,科学和经济之间的相互作用,推动了当前最活泼的信息和材料科学的发展,又导致了一系列高新技术和高性能材料的出生。信息功能材料、高温结构材料、复合材料、生物材料、智能材料、纳米材料等取得了较大的发展,它们正成为公民经济发展的重要驱动力。信息功能材料。功能材料是指凡具有优良的电、磁、声、光、热、化学和生物功能及其相互转化的功能,被用于非结构目的的高技术材料。功能材料与结构材料相比拟,其最大特点是两者性能上的差别。功能材料是今世新技术如能源技术、信息技术、激光技术、计算技术、空间技术、大陆工程技术、生物工程技术的物质基础,是新技术革命的先导。
信息功能材料的发展对信息技术的进步起到了至关重要的感化。家喻户晓,集成电路的症结在于半导体材料和封装材料与技术。目前,硅是最重要的半导体材料,此后二、三十年也可能如此,但对硅材料的要求却愈来愈高,晶片尺寸愈大,品质要求越高,这是因为线宽赵来越细,钢管,IBM预测到2007年线宽将到达0.10微米,而现在的为0.25微米摆布,那时所发的热量足以使基片ac96e0f78fares8d39a7c8a41a3c7065f8。于是跟着电子产业的发展,集成电路、大规格集成电路以及超大规模集成电路相继问世,这类电路需要尽缘性能、导热性能、热膨胀匹配性能、高频性能及快捷响应性能等一系列性能精良的绝缘陶瓷作为电路的基片与封装材料。特别是近10年来,由于高集成度、高信号速度电路的出现,在一块小小的硅片上安置37000000个晶体管,如斯高密度的集成电路需要散热和热把持办法到位,于是高绝缘高热导的SiC瓷与AlN瓷被研究与开发并得到广泛的应用,它们岂但绝缘电阻和热导率令人满足,而且热膨胀系数与单晶硅也匹配得相当好。当今,全世界每年要制造数百亿件质量相当高的集成电路,其中大概有20%要采用精细绝缘陶瓷基片。假如在计算机的集成电路中采用多层绝缘陶瓷基片与封装材料,可以使高速计算机的工作效力提高一倍,这已远超越陶瓷本身价值上万万倍。
光通讯取代微波、电缆来传输旌旗灯号,具有传输信号容量大造价低、中止站少、保密性强等优点,也是因为光导纤维材料的敏捷发展才得以实现的。1970年美国康宁公司用气相沉积法拉制降生界上第一根石英光纤,自1975年又建成世界上第一个正式生产光纤的工场后,光纤得到了迅速发展,各国接踵建成了大范围的光纤德律风网和远程干线。当然,光纤的利用不仅在于通信方面,它还可以做成各种传感器,用来丈量温度、压力、位移、速度和声音等。光导纤维有氧化物玻璃、非氧化物玻璃、卤化物晶体与塑料光纤等,个中石英的性能是最出色的,具有透光度好、光损耗小、化学性能极为稳固的特色,可用来制作100千米以上的光纤,这已在长间隔海底通信光缆中得到应用。激光材料在古代科技领域中得到了广泛的应用。以前有人提出利用激光来测量地球与月球队之间的距离,即通过记录激光从地球反射到月球而后又反射返回到地球队的时光再乘以光速求得距离,就是利用了激光的标的目的性好发散角度小的特点;片子"珊瑚岛上的逝世光"中所说的"死光",能霎时把攻打目的化为灰烬,即应用了激光的亮度高,能量集中的特点,能够在微米级的雀斑内产生几万甚至多少百万度的高温。这种神奇的激光就是由激光材料制成的激光器产生的,如在光通信顶用钕-钇铝石榴石晶体系作持续波激光器,可发生很大的输出功率,跨越了1kw,钕-钇铝石榴石晶体是目前激光工作物质中最优良的材料之一。Alpha-氧化铝也运用得极为广泛,是现在大功率激光器的精良材料,特殊是它能产生可见光区的激光。信息记录材料正由磁记载向光记载发展,光记录也是以激光为光源,以薄膜作为光信息存储材料,光记录具有密度高、寿命长、保真度好、无噪声和可重复使用的优点。
复合材料。复合材料因为具有高强度、化学稳定性优秀、耐磨、耐高温、韧性好、导热性和导电性好和自重小等性能,在许多工业领域如机械工业、汽车工业、化学工业建造领域以及航空航天领域等得到了广泛的应用。复合材料在机械工业方面的应用主要有阀、泵、齿轮、风机、叶片和轴承等,如用酚醛玻璃钢和纤维加强聚丙烯制成的阀门使用受命比不锈钢阀门的长,且价格廉价;铸铁泵一般重几十公斤,而玻璃钢泵重仅几公斤。在汽车工业聚合物基复合材料可用作车身驱动轴、把持杆底盘、发动机罩等部件,近两年北京陌头出现的火箭头出租车的外壳和看似粗笨的玄色车轮自行车均为聚合物基复合材料所制。航空航天工业则普遍利用了复合材料的分量轻、耐腐化、耐高平和耐摩擦性好等特点,大量用于飞机的减速板和刹车安装、宇宙飞船节制舱的光学仪器热防护罩、内燃机活塞,X-20飞行器的鼻锥、喷嘴材料和机翼等,如飞机采用碳-碳复合材料刹车片,可减重600kg。复合材料在现代飞翔器的材料中占了较大的比重,1997年7月1日喷鼻港回回时,中国驻港空军驾驶的直-9型直升飞机,其使用的复合材料超过了60%。碳-碳复合材料的使用温度可达2200℃,是火箭基体的幻想材料,现已用于火箭发动机的喷管和烧蚀层。利用复合材料的比高强度和比高模量,复合材料还可广泛用于制造网球拍、高尔夫球棒、垂钓杆、滑雪板和乐器等。功能复合材料的应用更加惹人注视,树脂基隐身复合材料在美国B2及F14、F19等飞机上均有应用。陶瓷基的耐热抗激光辐照复合材料,如碳化硅增强玻璃陶瓷基复合材料在氧化环境中能耐1300℃高温,氧化铝纤维增强陶瓷基复合材料具有抗激光损坏的才能,特别合适于用作天线罩的结构材料。
智能材料。智能材料是高技术新材料发展的一个重要方向,有人认为它是继自然材料、人造材料和精细材料之后的第四代材料。如果将仿生功能引入材料,智能材料就能当令地感知与响应外界环境的变化,具有自检测、自诊断、自适应、自修复、自指令等功能。如在复合材料中埋入外形记忆合金丝,可以改变内部应力情形,提高结构件的承载能力,与传感器共同,可以进行自适应掌握。有人就曾假想过在球拍中安顿微型的智能材料和传感触器,使之能依据来球的方面及力度而主动调剂,并使打出往的球在偏向和力度上幻化莫测,令敌手莫衷一是。将传感元件埋入基体材料中,采集结构中的信息(应变、振动等),利用现代数据处理方法,自行诊断损伤的地位、类型、水平,这就是智能材料的自诊断功能。桥梁、坝体等结构是恒久承载的,应用强度自诊断进行检测很有实际意义,能监测结构的裂纹及伤害,当蒙受特殊事变如地动时,能测得结构损害的地址和程度等。目前一种称为机警蒙皮(Smarketed|shoppedSfamily)的机敏陶瓷可以395aeebbed41f72243b2db4c8dc83777bc飞行器和潜水器高速活动时的活动噪声,避免产生紊流,从而可以提高速度,削减红外辐射和声辐射,达到吸波隐身的目标。又如在飞机的机翼引入智能系统,它便能响应空气压力和飞行速度的变化而自动改变其形状,从而改变升力和阻力,这能提高飞机(特别是战役机)的保险性和存活率。在医学方面,智能药物释放系统能响应血糖浓度、开释胰岛素,保持血糖浓度在c99a18ef1605636aunconcerned1f83c59525b6程度。智能材料的研究极大地推动着材料科学技术与信息科学技术之间的交叉渗入渗出,推动着材料加工技术与信息处理技术、传感技术、计算机技术以及控制技术的严密联合,甚至可以萌生划时期的技术革命。
纳米材料。八十年代以来,一个新型的纳米材料科学领域,越来越引起人们的兴致。由于纳米材料的晶粒尺寸、晶界尺寸均处在100nm以下,且晶界数目大幅度增长,使得材料的强度和韧性、超塑性大为提高,对材料的电学、磁学、光学等性能产生重要影响。
纳米材料有四个根本的效应,即小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏不雅量子地道效应,因此出现惯例材料没有的特别性能,如高强度和高韧性、高热膨胀系数、高比热和低熔点、独特的磁性、极强的吸波性等,从而使纳米材料得到了广泛的应用。用纳米碳化物、氮化物、氧化物弥散到基体中去可以明显改良陶瓷的韧性;用纳米级的羰基铁粉、镍粉、铁氧体粉末配制的涂料涂到飞机、导弹、军舰等兵器装备上,使该设备具有隐身性能;因为纳米超细粉末不仅能吸收雷达波,也能吸收可见光和红外线,由它制成的材料在很宽的频带范畴内可以回避雷达的侦查,同时也有红外隐身的作用。1991年的海湾战斗中,美国的战斗机之所以可以胜利躲过伊拉克周密的雷达监督,一个重要的起因就是美国的战斗机机身上包覆了红外和微波吸收材料,这种蒙皮就是含有多种超微粒子的隐身体料。因为超微粒子具有很大的比表面积,能吸收电磁波,同时纳米粒子尺寸远小于红外及雷达波波长,对波的透过率很大,响应的传递给雷达的反射信号就很弱。纳米材料还可以用作高性能磁性材料、催化剂、纳米级微粒传感器。如ZnO、TiO2等氧化物体制可制成气体传感器,且具有抉择性强、敏锐度高级特点。纳米材料在其它方面也有应用,如制成纳米抛光液,可使晶体的表面抛出更高的光洁度,目前有Al2O3、Cr2O3、SiO2的悬浮液;纳米静电屏障材料用于家电及其它电器的静电屏蔽;化纤制品和纺织品中添加纳米微粒还有除味杀菌的作用,如Ag纳米级微粒加入到袜中可以去脚臭,医用纱布中加入纳米Ag粒子有消鸩杀菌的作用。对纳米材料的研究,只是近几十年的事,但由于它所表示出的性能,可以相信它将有着宏大的应用前景。美国贸易通信公司的考察讲演《纳米材料的机会》,对美国从1996年至2001年纳米材料的市场需求作了一个预测,认为纳米材料的市场需要将会有迅速的增长,而且纳米颗粒的份额据有相对的大比重,这主要是由于纳米晶粒陶瓷的增加所致。
结构陶瓷材料。在三大材估中即金属材料、有机高分子材料和无机材猜中,无机材料无疑盘踞了相当主要的地位,并且可以相信,未来无机材料因其特殊的性能和多学科交叉的推进,以及材料、器件、系同一体化的发展趋势,而会占领更加上风的地位。在这种意思上说,现实上陶瓷已经成了无机非金属材料的总称。精致陶瓷(也称新型陶瓷、先进陶瓷等)市场十分辽阔,从1985-2000年,全世界先进陶瓷发卖额约每五年翻一番。
陶瓷特别是结构陶瓷材料适用化的重要阻碍,是陶瓷的脆性。纤维(晶须)增韧是解决陶瓷脆性的主要措施之一,因此陶瓷基复合材料越来越受到人们的看重。专家们猜测在高温至2200℃前提下使用的材料,唯有陶瓷基复合材料是最有盼望的。材料工作者们向陶瓷基内增加各种陶瓷颗粒、纤维和晶须,制备出各种陶瓷基复合材料。目前普通以为增韧的方法大抵有三种,即(1)弥散韧化;(2)相变韧化;(3)纤维(晶须)韧化。自八十年月中期,人们就已开端SiC晶须增韧陶瓷基复合材料的研究,但在持久使用和研究中发明,SiC晶须存在高温氧化题目,别的,由SiC晶须陶瓷材料制造的切削东西在加工钢件时,轻易被工件材料消溶以及被Ni、Fe和Cr置换,为此人们测验考试用TiN、TiC、Al2O3等晶须增韧陶瓷基复合材料,但由于上述晶须制备工艺身分等方面的限度,此项工作尚处于实验摸索中。增韧技术从单一的晶须增韧又发展了多重增韧,如SiC晶须和ZrO2增韧,因为SiC晶须和ZrO2的晶粒细化和韧化具有可加性,可能产生多重韧化后果,进一步提高了陶瓷材料的断裂韧性比Si3N4和莫来石陶瓷材料的断裂韧性分辨提高了4.7和7.0倍。还有一种用巴基管(一种碳纤维)来增韧、补强纳米SiC陶瓷材料,成果表白,增添了巴基管后,纳米SiC的抗弯强度(室温)和断裂韧性均有所提高。对陶瓷材料的强化,除了传统的纤维强化、晶须强化和纳米复合强化外,现在以固溶为基础的材料制备和材料改性技术也有了发展。所谓固溶复合技术,是指在不转变陶瓷晶粒的原有晶体结构前提下,通过置换某些组分元素,而使陶瓷材料的性能得到较大改变的方法。继纳米复合后,原子和分子标准的复合将受到存眷。还有一种功能梯度陶瓷,是对陶瓷的表面进行改性,构成材料的表面压应力,同时可以愈合材料表面的缺点,从而改进体材料的整体性能。通过热等静压氮化后处置工艺,可以在碳化物基体中成长出柱状和针状&wageringa;-Si3N4晶体,如许在SiC陶瓷材料的表面造成Si3N4层,无缝管,而与体材料的内部在构成上形成梯度的变更,成为一种梯度结构的Si3N4-SiC复相陶瓷,具有高强度(900Mpa)和高断裂韧性(800Mpam1/2)。
高温陶瓷材料。燃气轮机是喷气式飞机、汽船、动员机组等的能源来源,在热机的高温部件如叶片、转子、导叶、燃烧筒、套管等应用高温陶瓷,对提高热机的热效率具有决议性的作用。因类欲提高热效率就得提高高温热源的温度。一个发念头组,如果涡轮进口温度从1000℃提高到1200℃,每发一度电就可节油0.05公斤,相当于本来所需熄灭的60%。但以前的金属叶片材料不耐高温,入口温度只能在550℃阁下,这简直是高温合金的使用温度极限。随着陶瓷材料的发展,特别是陶瓷材料断裂韧性和抗热震性的提高,使得涡轮进口温度可提高到1400℃左右,SiC纤维/Si3N4陶瓷制造的涡轮叶片使用温度甚至可高于1500℃。用高温陶瓷制作切削刀具,可使刀具在1200-1300℃的高温下工作,而在以前,碳素对象钢刀具的最高使用温度为200-250℃,高速钢的为500-600℃,碳化钨钴类硬质合金的为800-1000℃,改进后也只能提高到1100℃。可见耐高温的陶瓷材料是有着广泛的应用远景的。在美国,早在1990年陶瓷力具的年销售额就达到了3500万美元,估计2000年可达1.6亿美元。
生物材料。生物陶瓷是具有特别心理行动的陶瓷材料,可用来构成人体骨骼和牙齿等部位,甚至可看局部或整体地修复或调换人体的某种组织和器官,或促进其功能。据统计,近几年全世界每年请求进行人工关节移植手术者多达15万人,仅在美国,每年就有12万人做人工髋关节移植手术,3.5万人装置人工心脏瓣膜,18万人移植人工血管。中国每年髋关节病患者至少1万人。
生物陶瓷必需具备生物相容性、力学相容性、与生物组织有优良的亲和性、抗血栓、灭菌性、很好的物理、化学稳定性。目前,生物医学陶瓷一般分为惰性生物陶瓷、表面活性生物陶瓷、d8aa3d387efdbdf61bc787fmattress9887d9性生物陶瓷、生物复合材料等四大类。如表面活性生物陶瓷中的烃基磷灰石陶瓷(HA)的抗压强度可达462~509Mpa,比致密骨的89~164MPa和牙齿的295Mpa都要高得多。因此HA大批用作人工骨、人工牙齿。人们对卫生管理的重视,导致了各种抗菌剂制品的产生。正常抗菌成品是在基材中添加抗菌剂制成的,目前使用的抗菌剂以无机抗菌剂即陶瓷剂为主,主如果指以沸石、磷酸钙、硅藻土等陶瓷材料为基体,被覆银、铜、锌等金属离子而制成的抗菌剂以及TiO2等光催化抗菌剂。生物磁性材料在医学中的应用是相称广泛的,它可用作造影剂、赤踪剂、靶向饰药系统的载体、人工发烧体、骨缺损修复材料及盖髓剂等。
金属材料。金属材料因为历史久长,生产已具有相称规模,生产、设计和使用均有成熟的技术和教训。性能价钱比和牢靠性都较高。因此现阶段对金属材料的研究个别集中在对现有的基本进行改良和翻新。如在铝合金中参加2~3%的锂,可使比重减小10%,刚度提高10%;前面所提的高温热机,生齿温度已濒临合金的极限温度,但如采取金属间化合物,将可能取得冲破,现在有一个很具吸引力的钛铝系合金,通过旁边化合物的研究,钛合金的使用温度将可能从600℃提高到800~900℃。
高分子材料固然发展历史不长,但已取得长足的进步。各种聚合物材料及聚合物基复合材料不断涌现,它们具备很多557bb7a6ec12f513f691b72e3230795a720953a5feaf8af24a31father94e57e的功效。如工程塑料具有高强度(50MPa)、高模量、高应用温度?gt;150℃)的性能。有些有机高分子材料还拥有导电、吸波、发光、磁性等性能。当初高分子共聚物的强度可通过合金化和嵌段共聚手段,使两种以上不同性质的分子成链,也可通过共混获得不同性能的材料。今朝,高分子材料已进进按需设计的阶段,即所谓"分子复合"。
三.先进材料发展前景展望
二十一世纪的科学技术,将以先进材料、先进能源、信息技巧、生物技术等四大技术为核心,经由过程其彼此穿插和互相影响,为人类发明出完整分歧的物资情况。受欢送的新型资料,应当是与生物和天然都有很好的顺应性、相容性和杰出理性的材料。面向二十一世纪,先进材料有如下发展趋向:继承器重对新型金属材料的研究开发,开发非晶合金材料;持续挖掘复合材料和半导体硅材料的潜伏价值;鼎力发展纳米材料、光电材料、智能材料、生物材料和高机能陶瓷材料等。先进材料的发展诚然与材料科学实践的发展亲密相干,不准确的理论领导,先进材料的开辟就会成为一句废话。然而,制造材料的原料、制备工艺以及分析测度手腕等的进步,更是实际迷信理论的要害。在原料工艺上,存在浩繁长处的工艺技术一直出现,如材料名义改性及优化工程和工艺、激冷凝固工程和工艺、低维材料工程和工艺、超塑料加工工程跟工艺等。以陶瓷为例,成型技术上发展了等静压、热压注射、离心注射、离心注浆、压力注浆、成型技术上发展了等静压、热压注射、离心打针、离心注浆、压力注浆、流型成膜等成型办法。烧成技术上则发展了热压烧结、热等静压烧结、反映烧结、疾速烧结、微波烧结、等离子体烧结、自蔓焚烧结。在分析测试手段上,也涌现了各种先进的方法和仪器。各类显微分析方式如扫描电镜、电子探针、透射电镜的发展以及与拍照、盘算机的衔接,都有力地增进了对材料的显微构造的分析,从而对材料的发展供给技术指点。德国研讨单元FraunhoferInstituteas|becauseSystemsAndInnovationResearched剖析了世界各国的发展打算,总结出在21世纪初的九年夜重点范畴,即先进材料,纳米技术、微电子学、光子学,微体系工程,软件与计算机模仿,分子电子学,细胞生物技术、信息、出产与治理工程。在这九个领域中,列出80个课题,此中属于先进材料的有24项,在其它领域中也包括了不少与材料有关的课题,如纳米技术的纳米材料,微电子学中的信息存储、微电子材料、超导及高温电子学等,共有27项,因此,在将来80个课题中,与材料有关的课题占了60%以上,可见材料在未来技术中的位置。正由于材料与人类生活非亲非故,社会先进都是以材料的成长为条件的,因而性能不断进步、起源更加广泛、能满意社会日益增添的须要的先进材料,将以更快的速度发展。有来由信任,在科技将会获得光辉提高的21世纪,一系列高性能、有普遍用处的各种进步材料,会层出不穷地呈现,浸透到生活中的每个角落、每个领域,来日的dcba5f2wronged59558d6baaa7c7ee2f83dc将加倍多姿多彩,残暴而又辉煌!
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